В №4 журнала «Энергоэксперт» за 2025 год опубликована статья, посвященная анализу перспектив развития интеллектуальных распределенных энергетических систем (ИРЭС). Актуальность появления таких систем определяется вызовами, поставленными перед энергетикой растущим электропотреблением и изменением характера спроса на электроэнергию и мощность со стороны новых потребителей, работа которых связана с хранением и обработкой данных, обучением и применением систем искусственного интеллекта и цифровыми финансово-технологическими сервисами.
АНО «Центр энергетических систем будущего «Энерджинет» подготовил предварительную концепцию нового сегмента энергетического рынка «Интеллектуальные распределенные энергетические системы: приглашение в будущее» и знакомит вас с её основными положениями.
Актуальные задачи развития энергетики
Сегодня энергосистемы во всем мире переживают интенсивные структурные изменения, вызванные ростом потребления электроэнергии и изменением характера потребителей и их требований к энергоснабжению. Этот процесс сегодня накладывается на переход к новому энергетическому укладу, связанному с реализацией возможностей принципиально новых технологий преобразования энергии: электронной (инверторной) генерации на базе твердотельной электроники, электрохимического накопления и преобразования энергии, роботизации электроэнергетики и использования искусственного интеллекта в системах управления.
Глобальное потребление электроэнергии в 2024 году выросло на 4 %, что существенно превышает среднегодовой показатель 2,7 %, наблюдавшийся последние 15 лет. Историческая динамика потребления энергии по регионам мира показана на рис. 1, прогноз – на рис. 2. В России темпы роста в 2024 году составили 3,1 % – вдвое выше, чем в предыдущие годы. При этом спрос растет за счет появления новых типов потребителей, которые предъявляют повышенные требования к параметрам качества электроэнергии, надёжности электроснабжения, автономности и мобильности источников энергии.
Структуру растущего спроса формируют несколько технологических факторов. Особое значение приобретает цифровой спрос на электроэнергию со стороны потребителей, предъявляющих повышенные требования к параметрам качества электроэнергии и надёжности электроснабжения. К таким потребителям относятся центры обработки данных, инфраструктура искусственного интеллекта, прецизионные и аддитивные производства, высокоточные фотолитографические, биотехнологические и электрохимические производства.
Распределительный сегмент электроэнергетики испытывает повышенную нагрузку вследствие нескольких факторов. Пространственная локализация новых нагрузок создаёт точечные перегрузки распределительных сетей, что требует значительной модернизации питающих линий. Изменение временных профилей потребления усложняет управление сетями: домашние зарядные станции и тепловые насосы формируют новые пиковые нагрузки. Интеграция двунаправленных энергетических потоков от распределённых источников энергии требует технической адаптации сетей, изначально спроектированных для односторонней передачи мощности.
Электрификация транспорта и промышленности охватывает не только электромобили и электробусы, но и беспилотные летательные аппараты, речные и морские суда, промышленные роботы, что требует развития мобильных источников электроэнергии и зарядной инфраструктуры на базе распределительных электрических сетей.
Экстенсивный рост энергетики, построенной на технологических решениях второй половины XX века, не может удовлетворить этот новый спрос без существенного роста тарифов и финансовой нагрузки на потребителей. Необходимо повышение эффективности использования энергомощностей с помощью оригинальных решений нового энергетического уклада.
Общее описание ИРЭС
Таким решением являются интеллектуальные распределенные энергетические системы (ИРЭС), в которых распределенные источники энергии и энергетической гибкости, связанные надежной и гибкой инфраструктурой интеллектуальных распределительных сетей и управляемые децентрализованной системой автоматизированного управления, обеспечивают реализацию кастомизированных сервисов энергоснабжения.
ИРЭС (рис. 3) представляют собой переход от традиционной монолитной энергетики с иерархической архитектурой к энергетике как гибкой, цифровой, клиенто-ориентированной и устойчивой экосистеме. В этой экосистеме энергия становится частью широкой платформы услуг и ценностей для общества. Ключевым технико-экономическим эффектом ИРЭС является повышение эффективности использования энергоресурсов и мощностей при одновременном росте доступности, надежности и качества кастомизированного энергоснабжения.
Распределённые системы на основе различных источников малой генерации, включая возобновляемые источники энергии, малые ГЭС и модульные атомные реакторы, в сочетании с системами накопления энергии и технологиями информационного моделирования с искусственным интеллектом, позволяют решать как локальные проблемы технологического присоединения без ожидания расширения централизованной инфраструктуры, так и задачи энергообеспечения изолированных территорий.
В условиях временных и экономических ограничений традиционной энергетики распределённые источники энергии и гибкости демонстрируют преимущества в скорости развёртывания, поскольку строительство крупных энергетических объектов сталкивается с существенными трудностями в соответствии темпам роста спроса.
Состав и структура ИРЭС
Технически ИРЭС представляют собой семейство комплексных решений, объединяющих:
- Разнородные источники генерации (дизельные и газогенераторы, ВИЭ, малые ГЭС, модульные АЭС);
- Системы накопления энергии (литий-ионные, водородные, гравитационные);
- Интеллектуальные сети передачи и распределения;
- Системы информационного моделирования и поддержки принятия решений на основе искусственного интеллекта (ИИ).
ИРЭС также включают в себя комплексное управление распределенными энергетическими ресурсами (DER), виртуальными электростанциями (Virtual Power Plant), микроэнергетическими системами (MicroGrid) и сервисами для потребителей, включая управление электромобилями и интеллектуальный учет. ИРЭС строятся на основе открытых платформ, мультиагентных систем и технологий самоорганизации, что позволяет интегрировать различные энергетические объекты и сервисы на технологическом, информационном и бизнес-уровнях. В рамках ИРЭС акцент делается на создание мульти-инфраструктурных сред для устойчивого городского развития, экономической эффективности и широкомасштабном использовании новых энергетических технологий, например, таких как водород.
ИРЭС порождают ряд важных социотехнических изменений.
Во-первых, существенно выросла роль распределенной генерации, в том числе размещенной вблизи конечного потребителя, и распределительных электрических сетей, отвечающих на запрос быстрого технологического присоединения и надежного электроснабжения.
Во-вторых, происходит изменение роли потребителя, клиент становится «просьюмером» (prosumer), который не только потребляет энергию, но и производит, накапливает и торгует ею на рынках. Создаются децентрализованные локальные и национальные рынки и платформы для обмена энергией и управления ее избытками/дефицитами.
В-третьих, появляется мульти-инфраструктурность. Энергетика интегрируется с сервисами из других отраслей (транспорт, агроиндустрия, цифровые услуги), формируя мультисервисную платформу.
Наконец, энергетические компании становятся интеграторами сервисов, развивая новые бизнес-модели типа Energy-as-a-Service.
Ключевым технико-экономическим эффектом, обеспечиваемым ИРЭС в сравнении с традиционной энергетикой, является повышение эффективности использования энергетических ресурсов и мощностей при одновременном росте доступности, надежности и кастомизированного качества энергоснабжения. ИРЭС реализует идею «и лучше, и дешевле».
Масштабные типы ИРЭС
В зависимости от масштаба и сложности предлагается выделять три класса ИРЭС:
- Микро-ИРЭС: Локальные системы для отдельных объектов (промышленные предприятия, больницы, университеты, жилые комплексы, изолированные поселения). Характеризуются высокой автономностью и простыми бизнес-моделями прямого владения или лизинга.
- Мини-ИРЭС: Районные системы масштаба муниципалитетов или промышленных зон. Требуют развитых технологий распределения, координированного управления и бизнес-моделей энергетических кооперативов.
- Макро-ИРЭС: Региональные системы, интегрирующие множество источников и потребителей. Предполагают использование продвинутых платформенных технологий управления и сложных многосторонних бизнес-моделей, включая локальные рынки энергии.
Модель технологического суверенитета в сфере ИРЭС
Для обеспечения лидерства России в сфере ИРЭС рабочей группой НТИ Энерджинет при поддержке Минэнерго России, Агентства стратегических инициатива и АНО «Платформа НТИ» разработана иерархическая модель технологического суверенитета (рис. 4).
Модель состоит из семи уровней:
- технологии генерации и накопления: ВИЭ, СНЭ, малая атомная генерация;
- технологии распределения энергии: сетевая инфраструктура (интеллектуальные подстанции, силовая электроника);
- технологии платформенного управления: программно-аппаратная основа для координации (контроллеры, ИИ, платформы интеграции);
- нормы и правила: нормативно-техническая база (стандарты, регламенты, правила подключения);
- модели управления и бизнес-модели: экономические механизмы (тарифообразование, Energy-as-a-Service);
- институты когнитивного суверенитета: НИОКР, образовательные программы, экспертные сообщества;
- модели мышления: концептуальные подходы и стратегическое видение развития ИРЭС.
Концептуальной основой для построения ИРЭС в России выступает оригинальная архитектура «Интернет энергии» (IDEA), подробно описанная в № 1 (77) журнала «ЭнергоЭксперт» за 2021 год. В 2024 году эта модель была утверждена в качестве предварительного национального стандарта (ПНСТ 913-2024). В России уже созданы основные элементы, необходимые для формирования структуры будущих ИРЭС.
Российские технологические заделы в сфере ИРЭС
Российскими компаниями и научными организациями, в частности, входящими в сообщество НТИ Энерджинет, сформированы значительные технологические, проектные и практические заделы по большинству элементов модели технологического суверенитета в области ИРЭС.
На текущий момент сообщество НТИ Энерджинет объединяет более 2000 инженеров-разработчиков, специалистов и экспертов, более 50 технологических компаний. На базе рабочей группы НТИ Энерджинет ведется активная работа по созданию нормативно-технической и нормативно-правовой базы для масштабирования новых технологий и практик в сфере ИРЭС, реализуются пилотные проекты апробации моделей ИРЭС, создаются и развиваются институты когнитивного суверенитета, обеспечивающие проведение аналитических исследований, разработку технологий, популяризацию новых технологий и практик, подготовку инженеров.
Сообществом НТИ Энерджинет, а также отраслевым сообществом в российской электроэнергетике сформированы заделы, необходимые для системного развития ИРЭС как для решения внутренних задачи модернизации и развития электроэнергетической инфраструктуры, так и для выстраивания долгосрочных экспортных партнёрских связей.
На настоящий момент в России на уровне готовности технологий от 6 до 9 сформированы заделы по следующим энергетическим технологиям:
1. Технологии производства энергии:
1.1. Поликристаллические и монокристаллические кремниевые солнечные (фотовольтаические) панели;
1.2. Гибкие солнечные (фотовольтаические) панели на основе аморфного кремния и CIGS;
1.3. Ветрогенераторы мощностью от 3 кВт до 50 кВт и от 1 МВт до 3 МВт;
1.4. Дизельные генераторы, в том числе с переменной частотой, с широкой линейкой мощностей;
1.5. Газопоршневые генераторы с широкой линейкой мощностей;
1.6. Атомные станции малой мощности с модульными реакторными установками IV поколения электрической мощностью от 6 до 55 МВт;
1.7. Малые и микро-ГЭС, в том числе бесплотинные и погружные;
1.8. Водородные электрохимические энергоустановки на основе топливных элементов мощностью с широкой линейкой мощностей.
2. Технологии накопления энергии:
2.1. Литий-ионные системы накопления электроэнергии, в том числе на основе аккумуляторных батарей собственного мелкосерийного производства;
2.2. Водородные системы накопления электроэнергии в составе генераторов водорода на базе электролизеров воды, баллонных или ресиверных систем хранения компримированного водорода и топливных элементов;
2.3. Гравитационные (твердотельные) системы накопления электроэнергии.
3. Технологии передачи и распределения энергии:
3.1. Интеллектуальное коммутационное оборудование;
3.2. Интеллектуальные распределительные устройства;
3.3. Быстровозводимые интеллектуальные подстанции;
3.4. Интеллектуальная система защит и автоматики;
3.5. Инверторы на основе силовой электроники;
3.6. Энергетические роутеры на основе силовой электроники;
3.7. Зарядные станции для электромобилей с функцией smart charging и широкой линейкой мощностей и коммутационных стандартов.
4. Технологии управления:
4.1. Цифровые двойники систем и оборудования;
4.2. Управление аварийностью и ликвидацией аварий;
4.3. Управление транспортом электроэнергии;
4.4. Системы автоматизированного проектирования;
4.5. Управление энергетической гибкостью;
4.6. Мультиагентные системы управления;
4.7. Платформы локального рынка и сервисов;
4.8. Цифровые онтологии моделе-центричного инжиниринга;
4.9. Интернет энергии.
Российские проектные заделы в области ИРЭС
В последние годы в сообществе НТИ Энерджинет были реализованы пилотные проекты ИРЭС различного масштаба, некоторые из них получили коммерческое распространение.
Микро-ИРЭС
Ключевой проектный задел в создании микро-ИРЭС – проекты модернизации локальной энергетики изолированных и труднодоступных территорий за счет автоматизированных гибридных энергетических комплексов. Автоматизированные гибридные энергетические комплексы первого и второго поколений сочетают топливную и возобновляемую генерацию, объединяют системы электро- и теплоснабжения за счет частичной электрификации последних, оптимизируют потребление энергии, используют управление энергетической гибкостью. В управление энергетической гибкостью кроме накопителей могут быть включены также системы отопления и накопления тепла, нагрузки потребителей, как бытовых, так и промышленных, водородные системы, электрический транспорт и его зарядная инфраструктура, различные коммунальные инфраструктуры. В данной конфигурации технических решений подход микро-ИРЭС реализуется в полной степени. Для осуществления технико-экономического моделирования микро-ИРЭС изолированных и труднодоступных территорий силами АНО «Центр «Энерджинет» разработана и развивается система многопараметрического технико-экономического моделирования энергосистем IDEA.Microgrid, которая позволяет получить оптимизацию конфигурации и расчет параметров работы микро-ИРЭС.
Мини-ИРЭС
Важнейший проектный задел в создании мини-ИРЭС – проекты построения цифровых распределительных электрических сетей. В их рамках отработаны следующие перспективные технологии, нацеленные на достижение требуемых показателей надёжности, качества и доступности электроэнергии при исключении критически изношенных активов и минимальной себестоимости распределения электроэнергии:
· автокластерная распределительная сеть, обеспечивающая автоматическую изоляцию повреждённого участка сети;
· система проектирования на основе формальной модели сети, нацеленная на минимизацию капитальных затрат при обеспечении целевых параметров по надёжности, качеству и доступности электроэнергии;
· система управления документацией, основанная на использовании модели сети;
· система диспетчерского управления, основанная на использовании модели сети и формализованной процедуры ликвидации аварий;
· «безуставочная» система релейной защиты и автоматики, основанная на использовании моделей аварий защищаемых объектов.
Макро-ИРЭС
Определенный задел в рамках задачи построения макро-ИРЭС сформирован исследованиями и модельными работами по вопросу локальных энергетических рынков и реализации свободного энергообмена на уровне микрорайонов и городских районов. Большое многообразие новых энергетических технологий, которые планируется использовать при создании энергетической инфраструктуры новых районов, создает предпосылки для реализации просьюмерской модели энергообмена, которая создает дополнительные возможности для общей оптимизации энергоснабжения. Разрабатывается модель и проектные предложения для пилотной отработки локального энергетического рынка. В конструкции локального энергетического рынка, показанной на рис. 5, обеспечивается сочетание двух условий.
С одной стороны, рынок должен упрощать пользовательский опыт участвующих в нем представителей местного сообщества (собственников или пользователей жилья и энергетических активов). С другой стороны, рынок должен обеспечивать наилучшую оптимизацию использования источников энергии и гибкости в целях достижения наименьшей стоимости электроэнергии при обеспечении ее высокого качества в широком смысле этого термина. При этом вторая задача должна решаться кастомизировано, то есть с учетом ограничений, налагаемых запросами представителей местного сообщества, которые могут преследовать различные монетарные и немонетарные цели участия в локальном рынке, например, снижения стоимости электроснабжения или получения дохода от своих энергетических активов.
Заключение
Интеллектуальные распределенные энергосистемы представляют собой не просто новое технологическое направление, но принципиальное базовое решение нового уклада в энергетике, адекватное вызовам XXI века. Россия, обладая собственной архитектурной концепцией (IDEA), развитой моделью технологического суверенитета и значительными практическими наработками как в области технологий, так и в области комплексных решений для ИРЭС, имеет шансы занять серьезные позиции в этом направлении. Дальнейшие усилия должны быть сосредоточены на пилотных проектах, снятии регуляторных барьеров и масштабировании успешных решений, что позволит создать современную, гибкую и устойчивую энергосистему.